Sistema integrato di screening cardiotossicologico su organoidi cardiaci 3D con gemello digitale predittivo

La valutazione della cardiotossicità e dell’efficacia di nuovi composti farmacologici destinati al trattamento delle patologie cardiovascolari rappresenta uno degli aspetti più critici e delicati nello sviluppo di nuovi farmaci. Gli attuali metodi preclinici, basati su modelli animali o colture cellulari bidimensionali, mostrano limitazioni strutturali e funzionali significative, rendendo urgente l’adozione di modelli più fisiologicamente rilevanti e compatibili con sistemi di screening ad alta produttività (HTS). In questo contesto si inserisce la tecnologia innovativa degli organoidi cardiaci tridimensionali, sviluppata dal team della Prof.ssa Chiara Collesi, che rappresenta una svolta nel campo della modellizzazione in vitro del tessuto miocardico. Questi organoidi sono ottenuti da cellule umane (nello specifico, cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti, derivate da pazienti affetti, ad esempio, da cardiomiopatia) organizzate in una geometria toroidale, capace di riprodurre in modo fedele la contrattilità, la propagazione del potenziale d’azione e le risposte elettrofisiologiche tipiche del miocardio umano. La particolare geometria tridimensionale consente, rispetto ai tessuti ingegnerizzati a conformazione lineare, una maggiore coerenza nella propagazione della depolarizzazione e una quantificazione più accurata delle dinamiche di contrattilità-rilassamento, rendendo questi modelli ideali per applicazioni di tipo funzionale. Fondamentale in questo contesto la straordinaria potenzialità di questi modelli di poter essere utilizzati per predire la risposta del paziente a trattamenti farmacologici mirati, sperimentali e/o non convenzionali. Tuttavia, nonostante il grande potenziale biologico, gli organoidi cardiaci non sono ancora integrati in piattaforme automatizzate compatibili con screening automatizzati, a causa della complessità delle condizioni di coltura, della mancanza di piastre di coltura adatte, della carenza della standardizzazione dei readout funzionali e della totale assenza di modelli computazionali integrati in grado di simulare in tempo reale le risposte osservate. Di conseguenza, la capacità analitica e predittiva di questi modelli resta oggi confinata a protocolli manuali o semi-quantitativi, che ne limitano fortemente l’impatto nelle fasi earlystage dello sviluppo di nuovi farmaci. Il progetto RingScreen nasce con l’obiettivo di colmare questo gap tecnologico, proponendo una piattaforma integrata hardware-software in grado di coniugare: • organoidi cardiaci tridimensionali a geometria toroidale, coltivati in condizioni ottimizzate per lo screening ad alta processivita’ e il monitoraggio funzionale automatizzato, e • un modello fisico-matematico dell’organoide cardiaco, utile a quantificare l’attività meccanica contrattile a partire dai dati sperimentali. Il cardine del sistema RingScreen è rappresentato dall’idea di integrare i dati biologici e la loro analisi matematica, sviluppando un algoritmo intelligente in grado di analizzare i dati acquisiti da ogni organoide (frequenza di battito, ampiezza della contrazione, tempo di recupero, presenza di aritmie, ecc.) per interpretare le misurazioni fisiche insorte ad esempio dalla somministrazione di diversi stimoli farmacologici e fornire parametri importanti per la diagnosi/prognosi o la scelta terapeutica per un dato paziente. L’approccio proposto da RingScreen mira a rendere scalabile e standardizzabile lo studio delle risposte cardiache ai farmaci attraverso gli screening ad alta processività, accelerando la pipeline preclinica, migliorando la sicurezza del paziente e aprendo la strada a nuove applicazioni in ambito di medicina personalizzata e farmacologia traslazionale.

The evaluation of cardiotoxicity and efficacy of new pharmacological compounds intended for the treatment of cardiovascular diseases is one of the most critical and delicate aspects in the development of new drugs. Current preclinical methods, based on animal models or two-dimensional cell cultures, have significant structural and functional limitations, making it urgent to adopt more physiologically relevant models that are compatible with high-throughput screening (HTS) systems. This is where the innovative technology of three-dimensional cardiac organoids, developed by Prof. Chiara Collesi's team, comes in, representing a breakthrough in the field of in vitro modeling of myocardial tissue. These organoids are obtained from human cells (specifically, cardiomyocytes derived from pluripotent stem cells, derived from patients affected, for example, by cardiomyopathy) organized in a toroidal geometry, capable of faithfully reproducing the contractility, action potential propagation, and electrophysiological responses typical of human myocardium. Compared to linear engineered tissues, the particular three-dimensional geometry allows for greater consistency in the propagation of depolarization and more accurate quantification of contractility-relaxation dynamics, making these models ideal for functional applications. Fundamental in this context is the extraordinary potential of these models to be used to predict patient response to targeted, experimental, and/or unconventional drug treatments. However, despite their great biological potential, cardiac organoids are not yet integrated into automated platforms compatible with automated screening, due to the complexity of culture conditions, the lack of suitable culture plates, the lack of standardization of functional readouts, and the total absence of integrated computational models capable of simulating the observed responses in real time. As a result, the analytical and predictive capacity of these models remains confined to manual or semi-quantitative protocols, which severely limit their impact in the early stages of new drug development. The RingScreen project was created with the aim of bridging this technological gap by proposing an integrated hardware-software platform capable of combining: • three-dimensional cardiac organoids with toroidal geometry, cultivated in conditions optimized for high-throughput screening and automated functional monitoring, and • a physical-mathematical model of the cardiac organoid, useful for quantifying mechanical contractile activity from experimental data. The cornerstone of the RingScreen system is the idea of integrating biological data and their mathematical analysis, developing an intelligent algorithm capable of analyzing the data acquired from each organoid (heart rate, contraction amplitude, recovery time, presence of arrhythmias, etc.) to interpret the physical measurements arising, for example, from the administration of different pharmacological stimuli and provide important parameters for diagnosis/prognosis or therapeutic choice for a given patient. The approach proposed by RingScreen aims to make the study of cardiac responses to drugs scalable and standardizable through high-throughput screening, accelerating the preclinical pipeline, improving patient safety, and paving the way for new applications in personalized medicine and translational pharmacology.